BIM虚拟施工技术在北盘江大桥纵移悬拼新工艺中的应用

祁润田,堵一凡，吴佳东，许红胜

(1.中国城市发展规划设计咨询有限公司,北京 100000；2.长沙理工大学 土木工程学院,湖南 长沙 410076)

0 引言

BIM虚拟施工技术因其可视化、信息化、便捷化等特点[1-4]，受到国内外大量关注，纪博雅等[5]阐述了近十几年国内BIM技术的现状，并给出未来研究方向的建议，张继仁等[6]介绍了国外BIM技术研究现状，并提出下一步的发展研究方向。目前，BIM技术在建筑等领域已经有了大量的案例与经验[7-9]，但在交通运输领域，其应用暂远不及在建筑领域成熟。不过，近年来随着国家大力发展与支持，BIM技术在交通领域的应用越来越广泛，主要运用在桥梁监测、设计、施工管理、地铁隧道等方面[10-17]。

越来越多的专业人士探索出新的方式将BIM技术运用于交通运输施工当中。林友强等[18]开发了TJADBrIM平台，并以此为基础揭示了BIM技术在桥梁工程中的应用前景；程马遥等[19]利用BIM技术提出了一种新的地铁工程基坑施工方法；陈文宝等[20]阐述了BIM技术与装配式结合在桥梁工程中应用的优点。

本文以北盘江大桥为研究对象，探索BIM虚拟施工技术在纵移悬拼[21]新工艺施工中的应用。借助虚拟仿真模拟，解决新工艺、新技术在设计与施工过程中出现的具体问题，以达到节约成本、缩短工期目的。

1 工程概况

毕都高速北盘江大桥位于贵州省水城县云贵两省交界处，是毕都高速跨越北盘江大峡谷的一座特大型桥梁。北盘江大桥主桥为主跨长度720 m的七跨连续钢桁梁斜拉桥，桥跨布置(80+2×88+720+2×88+80)m，边跨设置2个辅助墩和1个过渡墩，桥型总长1 232 m，如图1所示。该桥主跨径720 m，为世界第一大跨径公路钢桁梁斜拉桥，同时，大桥建成后桥面顶距谷底江面高差565.4 m，位列世界第一高桥[22]。

图1 毕都北盘江大桥桥型布置图(单位：cm)

由于毕都北盘江大桥T18施工合同段，进场施工时间较T17施工合同段延迟近220 d，加上现场条件复杂，环境恶劣，为保证大桥在规定时间内顺利通车，施工单位创造性地研究了钢桁梁节段纵移悬拼施工新工艺，并成功进行了应用。

2 BIM虚拟施工技术应用

BIM虚拟施工重点表现在信息的完整性、模型的关联性与信息的一致性等3个方面[23]。BIM虚拟施工技术能够通过建筑信息模型，实现对一个建筑结构不同方面的信息和工程逻辑关系的完整性表述。将BIM虚拟施工技术运用到桥梁施工的过程中，能够保障桥梁施工过程中的所有信息的完整性。

通过BIM虚拟施工技术所建立起来的BIM模型，其对象具有相互关联特征，也就是说，如果其中一个构件发生变化，那么其他具有关联的构件也会随之发生改变，从而使整个工程逻辑关系发生新的变更。将该技术运用到桥梁施工中，可以建立比较完整的信息模型，这样便能保证各个结构之间的紧密联系，使每个结构的优势得到展现，从而便于桥梁施工工程的管理。运用BIM虚拟施工技术对模型中某一个信息进行变动时，只需将修改后的信息进行输入，便能够对三维模型以及二维图形进行自动更改，以此保证了施工过程中工程图纸的一致。图2为虚拟施工技术路线图。

图2 虚拟施工技术路线图

2.1 建立BIM模型

2.1.1建立三维仿真地形

毕都北盘江大桥地形复杂，地势海拔高，为了更好利用BIM虚拟施工技术解决施工过程中各种构件的冲突问题，按照构件作用及位置建立不同的细度模型。仿真三维地形是虚拟施工中不可或缺的元素之一，它是规划运输路线、进行场地布置的前提，为了建立真实三维地形图，结合施工现场及现有条件，利用无人机放样，再结合谷歌地图对项目周围地势海拔数据进行观测记录，然后将点云数据导入Civil 3D中，生成项目区域三维地形图。

2.1.2建立整体桥梁模型

桥梁整体模型是虚拟施工的主体，是关系着虚拟施工技术是否能够顺利开展的元素之一。根据大桥里程坐标，以施工设计图为基础，利用Revit软件建立细度LOD200的索塔、交接墩、桥头的1∶1实体模型；建立细度LOD300钢桁梁节段、斜拉索、竖向支座等构件，当设计图模型建立完成后，拼装整个桥梁模型,如图3所示。

图3 Revit建立的北盘江大桥整体模型

2.1.3建立临时构件模型

对于北盘江大桥新工艺，原施工设计图纸已经无法满足其施工要求，必须在原设计图纸上增加新工艺所需的临时构件设计图，根据临时构件的作用和位置建立的模型和细度如表1所示。

表1 临时构件模型及细度序号临时构件模型细度LOD1桥面吊机4002纵移小车3003临时加固杆件2004轨道梁及扁担支架3005运桥面板小车3006其他临时构件200

2.2 新工艺虚拟施工的优化

北盘江大桥施工存在新工艺技术中预制构件数量多、体积大及地形复杂等多种不利因素，存在工人不熟悉施工工艺、运输路线不合理、机械设备布置不适当、构件之间发生碰撞等潜在问题。

2.2.1工艺优化

传统的桥梁施工要求技术管理人员拥有丰富的施工经验以及前瞻性，要对施工过程中的重点难点及各个施工工艺清晰了解。而北盘江纵移悬拼新工艺在实际施工中并无参考案例，施工技术人员只能通过想象并按照自己的施工经验来把握整体施工过程，对施工中的工序操作及细节不能熟悉掌握。

BIM虚拟施工技术以施工设计方案为参考，通过3DSmax软件的动画功能对新工艺8个重难点工序进行动态施工模拟，可以解决上述问题。下面以B5节段施工为例，具体阐述施工流程。

1)用拖车将制作好的上横梁、下横梁、外侧斜腹杆、竖腹杆和内侧斜腹杆经模拟的运输路线运至拼装场地，然后利用龙门吊对B5整节段按照安装顺序进行拼装，如图4所示。

图4 钢桁梁节段拼装工序

2)垂直缓慢提升系统将拼装好的B5节段从地面提升至指定位置，如图5所示。

图5 钢桁梁节段垂直提升工序

3)B5节段提升就位后，经过复合检查，确定吊点转换位置，进行第一次吊点转换，将节段移交至纵移小车，如图6所示。

图6 第一次吊点转换工序

4)纵移小车按照事先预定的方案进行B5节段纵移，如图7所示。

图7 钢桁梁节段梁底纵移工序

5)在B5节段纵移至B4节段后，复核二次吊点转换位置，进行二次吊点转换，连接至桥面吊机，如图8所示。

图8 第二次吊点转换工序

6)桥面吊机缓慢垂直提升B5节段并微调吊点，高强螺栓完成B4节段与B5节段的连接；如图9所示。

图9 提升并悬拼节段工序

7)B5节段拼装完成后，运桥面板小车将预制好的桥面板运至桥面吊机下，采用桥面吊机安装B5节段桥面板，如图10所示。

图10 桥面板安装工序

8)完成上述工作后，前移桥面吊机进行下一节段施工，如图11所示。

图11 前移桥面吊机工序

通过对上述施工过程的动画演示，技术人员可以形象直观地了解整个施工工序如何进行转换，何时进入下一步工序等。例如，B5节段在第一次吊点转换工序时,对吊点转换到纵移小车进行了详细的施工模拟，使施工技术人员清楚了解具体施工工艺步骤及工序衔接。不仅如此，虚拟施工的动画演示还可以在技术交底过程中供工程相关成员现场观摩，提前熟悉工艺操作流程，为施工节省大量的前期准备工作时间。

2.2.2运输路线优化

运输路线受地形条件、经济成本、安全等因素的制约，合理的规划布局能够减少二次搬运及路线不通畅带来的经济损失，达到提高施工效率、缩短工期、节约成本的目的。北盘江大桥现场地质条件复杂，场地制约影响较大，加上新工艺采用对称施工的方式，导致施工现场车辆及人员流动大，如何合理规划运输路线是亟需解决的问题。

现场技术人员以Civil 3D生成的三维地形图为参考，规划了整体运输路线图。考虑到北盘江大桥新工艺的特殊性，二维平面的路线规划图仍然无法避免产生误差。所以，在二维平面规划路线图的基础上对三维地形图进行了修改，再通过Revit导入到3DSmax软件中进行3D模型的虚拟施工模拟。以施工顺序为基础，遵循先模拟再施工的原则，针对不同施工阶段进行了不同的运输路线动态模拟。例如，在场地平整及土方开挖阶段，多作业面同时施工，大量运土车进出场，利用虚拟施工技术，按照先进先出，后进后出的原则，对所有作业面车辆的土方回填、堆放及转运等路线进行了模拟；在道路硬化及各工棚房安装等施工阶段，对材料进出场路线也进行了相应模拟；从施工初始阶段直到整个新工艺施工完成均可实现动态模拟。虚拟施工技术的运用，为现场施工减少了大量二次搬运及运输冲突带来的经济损失。

2.2.3动态碰撞检查优化

现阶段BIM技术在实际工程运用中，几乎都是使用Navisworks软件进行碰撞检查。由于软件的局限性，往往只对Revit中的模型进行分析，而桥梁施工是一个动态的过程，静态的碰撞检查已经很难满足施工的要求。

北盘江大桥纵移悬拼新工艺施工中新增许多临时构件，按照施工方案施工时，临时构件的安装与拆卸是否会与原结构、原临时构件等发生冲突很难通过经验去分析，所以将BIM虚拟施工技术引入碰撞检查的概念，以虚拟施工工序动画为基准，对8个工序分别进行多视角观测。方案相关的设计人员通过北盘江大桥模型可以清晰地了解到在虚拟施工过程中，何时何处发生了构件之间的碰撞冲突、构件空间位置是否合理，并对演示过程中的碰撞点进行调整，优化设计方案，通过科学且正确的方式对纵移悬拼施工方案进行修改及验证。

钢桁梁整节段起吊作业高度约为80 m，吊装重量约为170 t，如何合理进行大型构件的拼接施工是桥梁新工艺能否顺利实施的关键。RIM虚拟施工对整个工序的每一个操作进行了精细化模拟，通过模拟施工发现，桥面吊机前移时会与斜拉索产生碰撞冲突(见图13)，后续技术人员对碰撞处进行了优化处理(见图14)，将发生碰撞的构件更改为临时结构，当桥面吊机前移至指定位置后，再重新安装临时构件，进行下一步施工。

图13 碰撞点

图14 碰撞点优化

2.2.4机械设备优化

机械设备的使用往往是施工过程中容易被忽略的一个方面，工程中经常因机械设备进场不及时、设备之间相互干扰，导致工期延误。对一种新的施工工艺实施，就算施工技术人员拥有丰富的施工经验也很难避免这些问题发生。

因此，提出利用BIM虚拟施工技术对机械设备进行优化管理。以虚拟施工工序动画为参考，对北盘江大桥每道工序中每一个操作所需机械设备进行记录，并确定机械设备的种类，对每个设备工作时间、范围、路径进行动态模拟，以确保机械设备在使用过程不产生干扰现象。同时，根据施工工序动态模拟对关键时间节点进行记录，以优化机械设备进场时间，达到节约成本缩短工期的目的。

2.3 BIM虚拟施工技术应用产生的价值

北盘江大桥的纵移悬拼新工艺通过BIM虚拟施工技术，以施工工序动态模拟为基础，采取动态纠偏方法，优化碰撞点27处，使整个工程工期缩短100 d。同时，在面向操作的可视化施工指导及新工艺协调方面，优化工序14道，节约协调联络时间90 d，优化路线及设备6道，节约材料费约180万元。

3 结语

BIM虚拟施工技术的应用不仅有利于新工艺顺利实施，还可以提高工作效率，减少工期成本，充分体现了BIM虚拟施工技术对桥梁建设的优势，为后续桥梁建设提供了一种新的方法。但桥梁施工是一个巨大且复杂的过程，实际施工中还有许多东西无法在BIM虚拟施工中体现，这就需要技术人员灵活安排。BIM虚拟施工技术在桥梁施工中的应用还有很大的发展潜力，需要工程技术人员共同去挖掘。